有了量子力学是不是就不需要化学理论了？

哈哈，这问题问得可太有意思了！很多刚接触量子力学的人都会有这个疑问：既然量子力学这么厉害，能解释原子里电子是怎么回事，那我们之前学的那一套化学理论，什么元素周期表啊、化学键啊，是不是就成了摆设，可以丢进历史的故纸堆了？

简单粗暴地说一句：绝对不是！

咱们这么想，量子力学就好比是宇宙运行的底层代码，它描绘的是最微观、最基本的一切。而化学理论呢，就像是用这些底层代码写出来的高层应用程序。你可以说，没有底层代码就没有应用程序，但应用程序本身的逻辑、功能和用户体验，是底层代码直接给不了的。

让我给你掰扯掰扯，为什么有了量子力学，化学理论不仅没“下岗”，反而被大大地丰富和深化了：

1. 量子力学是化学的基石，但不是全部。

量子力学确实解决了许多经典物理学解释不了的原子和分子行为。比如，为什么电子不会掉进原子核里？为什么原子会形成特定的光谱？这些都是靠量子力学中的波函数、薛定谔方程、量子数等概念来解释的。

但是，量子力学算出来的东西，通常是极其复杂且难以直接应用的。比如，要精确计算一个稍微大一点的分子（哪怕是水分子），它的电子波函数会非常非常复杂，需要强大的计算能力和专门的数学方法来求解。直接用量子力学去预测“这个反应能不能发生，发生得快不快”就像你非要通过分析CPU的电信号来玩一款大型3D游戏一样——理论上可行，但实践起来太困难了。

2. 化学理论是量子力学的“提炼”和“概括”。

化学家们早就发现了一些非常有用的规律和模型，这些规律和模型虽然在量子力学的宏观框架下是可以推导出来的，但它们本身是高度抽象和概括化的结果，更符合我们直观理解和操作。

元素周期表： 这玩意儿可是化学的灵魂！它把元素按照原子结构和性质的相似性进行排序。量子力学解释了为什么会出现周期性——这跟电子填充的能级和轨道有关。但要知道，元素周期表在量子力学提出之前就存在了，它本身就是一个伟大的经验总结。量子力学让周期表有了更坚实的理论支撑，但并没有取代它作为化学家构建分子、预测性质的“地图”。
化学键理论： 什么是离子键？什么是共价键？这些概念帮助我们理解原子如何结合成分子。量子力学解释了共价键的形成是原子轨道重叠，电子共享的结果。但化学键的“强度”、“极性”、“键角”这些描述，都是在量子力学基础上发展出来的更便于理解和应用的化学概念。比如，价键理论、分子轨道理论，都是用更形象的方式来描述化学键，方便我们思考分子的结构和反应。
化学反应动力学和热力学： 这些理论告诉我们反应为什么会发生，会进行到什么程度，需要多快的速度。量子力学提供了计算反应能垒、活化能的手段，但化学热力学（比如熵、焓的概念）和动力学（比如速率常数、反应机理）是高度工程化和系统化的理论，它们能帮助我们设计和控制化学反应，这正是化学应用的关键。

3. 量子力学提供了“为什么”，化学理论提供“如何做”。

你可以把量子力学想象成物理学家在研究宇宙最基本的粒子是怎么运动的，他们关注的是基本粒子的波函数、能量状态等等。而化学家则是在利用这些基本粒子构成的“积木”（原子）来搭建各种“房子”（分子）和“城市”（物质）。

化学理论的作用更像是一种“高级语言”或者“简化模型”，它把量子力学深奥的数学语言翻译成了我们更容易理解和操作的化学概念。

举个例子： 想象一下你要造一栋房子。量子力学就像是在告诉你，组成砖块的原子是怎么运动的，原子核和电子是怎么相互作用的。而化学理论则告诉你，怎么把砖块垒起来，怎么用砂浆把它们粘合，怎么设计房间的布局，怎么确定承重墙在哪里更稳固。你当然可以用最底层的物理原理去计算每一块砖的受力，但那样太慢太复杂了。化学理论提供的“砌墙技术”、“结构设计原则”才是我们实际盖房子的关键。

4. 量子化学：是融合，不是取代。

正是因为量子力学的强大解释力，才催生了“量子化学”这个领域。量子化学的目标就是用量子力学的原理和方法来计算和解释化学现象。它不是说我们不需要化学理论了，而是我们用量子力学的工具来更深入地理解和验证现有的化学理论，并且用它来发现新的化学规律。

比如，通过量子化学计算，我们可以更精确地预测分子的光谱，这对于材料科学、药物研发非常重要。我们也可以模拟化学反应的过渡态，从而设计出更有效的催化剂。

所以总结一下：

量子力学为化学提供了最根本的理论解释，就像地基一样牢固。但化学理论并不是因为有了地基就没用了，它们是建立在地基之上，用更符合我们需求的方式来描述和预测物质的性质和行为的“上层建筑”。没有化学理论，我们寸步难行；而有了量子力学的加持，化学理论变得更加精确、深刻，并且能够解决更多以前无法想象的问题。

量子力学没有取代化学理论，而是让化学理论更加强大，更加科学。两者是相辅相成，共同推动着我们对物质世界的认识和改造。就像你不能因为知道了电是怎么产生的，就不需要学会怎么用电灯和电器一样。

网友意见

上次我硬盘坏了，给我一个大神朋友恢复数据，他问我里面是什么

我说里面是火影忍者全集

他笑了笑，就拿出一块新的硬盘，拆出盘片，拿个磁铁在上面画圈，一圈一圈划得很快。我也不懂，只看到磁铁一会碰到盘片，一会不碰到盘片。过了几个小时，他跟我说好了。硬盘读出来一看，果然是火影忍者全集，原来没存的OVA剧场版都给我写进去了，还是BD版。

当时我也不知道他怎么做到的，谢了谢他就走了。后来我也不知道他去哪儿了。

这个故事告诉我们，只要认识0和1，就不需要拍动画的了。

---更新---
没想到搬个老梗那么多赞，谢谢
鉴于有些留言方向跑偏，在此更新下
梗是万年老梗，不过没找到原文，回答是根据记忆手打的
贴在这个问题下是因为与题主的问题有相似之处
硬盘里的电影归根结底就是0和1的排列组合，化学的所有理论最终都能由微观物理来解释，
但以目前的技术，甚至在可预见的未来，反过来都是行不通的，因为需要的算力远超人类掌握。
当然我个人还是愿意相信和期待类似的技术最终能被人类掌握，
到时候不只是化学，生物、医学等方面的难题都能在微观粒子层面解决，岂不美哉。

都可以用薛定谔方程直接推出来？

你知道吗，薛定谔方程至今能直接求解的“分子”体系的波函数，也只有H_2^+和氦（单原子分子）这类结构极其简单的而已，普通的三个原子的分子就已经是解析方法处理不了的体系了。

1s是球形，2p是纺锤形，那都可以用“量子力学”推出来。好的，下面这个分子，呼吸作用的氧化磷酸化过程中的关键酶之一，细胞色素C氧化酶^[1]：

电子轨道是球形还是纺锤形啊？

自洽场理论提出后，量子力学在化学领域才真正有实用价值。而自洽场理论的核心是什么呢？不是“直接推出来”，而是先用经验和半经验方法对某个体系猜一个大概的波函数密度矩阵出来，然后代入哈锤-福克-罗特汉方程求解，求得的密度矩阵和原本的密度矩阵对比，差距很大，就往下迭代，有收敛趋势，就一直迭代到密度矩阵差距非常小的时候，也就是收敛的时候，就可以认为此时的波函数是实际的稳定波函数了。

然而早期的自洽场HF方法，精度依然不足以全面推广，只能解决极少数的实际问题。别说算反应了，TD-HF方法计算激发能的误差甚至能超过100%。而精度更高的后HF方法，普遍计算成本极其昂贵，而获得的精度提升也不是成比例的——不是说这些方法不好，而是这些方法在现有的计算机机能下注定不适合推广到各种应用体系。随便一个蛋白质的分子量大几千上万，电子数量几十万，哪怕用纯经典力学的纯粹经验模拟，也要借助GPU加速才能有可以接受的速度。

量子化学真正普及，能够指导和解决实际问题已经到了DFT时代，而现在市面上绝大部分DFT方法靠的还是很多键盘物理学家瞧不上的参数化和拟合。就近20年来，量化领域的重大进展，多半不是题主想象中的基于最基本的物理原则直接硬推出来的：M062X^[2]和其它明尼苏达泛函，RIJCOSX/RIJK^[3]，SMD^[4]，还有基本克服了DFT方法描述弱相互作用先天不足的DFT-D^[5][6]，都是近似方法、数值近似或者参数化拟合的结果——不是说解析方法不重要，TDDFT一阶解析导数就很重要，而是现实中在现在的数学水平和计算机水平的发展阶段下，不可能所有问题都有解析解。

那有人说是不是将来计算机计算速度上来了就不需要基于经验和统计的研究方法了？计算机速度上来了，我们研究的对象也会更复杂；现在我们拿经验方法模拟蛋白质，计算机性能上来了我们的前沿就不是拿半经验或者从头算的方法继续模拟蛋白质，而是用经验方法模拟细胞器甚至更大的体系。

甚至可以说，越好的理论方法，是我们用经验、半经验或者统计方法解决更复杂体系的问题的基础和保证。当我们的理论只能准确描述原子时，我们的半经验方法只能给出分子行为的近似描述；而当我们的理论描述分子描述得越准确，我们就可以用统计方法更准确地描述超分子结构或者晶体；当我们得理论可以以较低的成本研究超分子结构的时候，我们的经验方法就可以在其基础上更好的研究更庞大的生物分子机器体系乃至细胞器或者高分子化合物的行为。

我觉得把还原论或者ab initio当一个信仰或者价值导向没啥关系，甚至还很好，但是现在确实有些人是还原论入脑、解析方法成精（不是指题主，题主刚开始学习量子力学有这种疑问也很正常），自己信教不算数还要消灭一切数值导向的、经验导向的、结果导向的研究方法，这是我无法理解的。

More is different，这在任何学科都适用。

参考

1. ^ https://www.rcsb.org/structure/1occ
2. ^ https://link.springer.com/article/10.1007/s00214-007-0310-x
3. ^ https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2008.10.036
4. ^ https://doi.org/10.1021/jp810292n
5. ^ https://doi.org/10.1002/jcc.20078
6. ^ https://doi.org/10.1063/1.3382344

此情此景，我不禁吟诗一首啊！

西北玄天一片云
乌鸦酪在凤凰群
满车都是英雄汉
哪是君来哪是臣

1.利用电子结构计算+人工智能预测晶体结构，是一个Open Question。国际上每年有Blind test比赛，世界有名的人工智能和电子结构的课题组有不少参赛的。曾参赛过的选手中，有我们中国人的骄傲，吉大马琰铭课题组。今年的晶体结构预测大赛又开始了！有兴趣的小伙伴赶紧报名去啊！这次时间充裕，给足一年半！

当然了，这方面做得好，还有对口单位可去，药企都十分关心这套活。因为申请专利的时候，要报告晶体结构，如果有人看到已知专利，却结晶出来了另一种专利里边没写的晶体结构，就可以避开专利自己生产了。印度仿制药的公司有许多这种案例。这可是白花花的银子。可惜，目前还没有一个可以拍着胸脯打保票的方法能快速、准确、穷举一个分子所有可能结晶出来的晶体结构。

1.5 目前液体还没有完善的理论。据我所知，RISM是目前能达到的最精确的液体理论了。然而理论中包含系统的哈密顿量，受制于力场精度。近年，港科的黄旭辉老师麾下有个小伙子开发了一个新版的RISM。

2.化学反应往往发生在一定环境里。如果量子力学计算包含所有的环境，原则上有可能得到精确的计算结果（但考虑到经典和量子混沌存在，我持否定态度）。但是计算机水平是有限的。不可能直接拿最原始版本的量子力学薛定谔方程来求解，必须对量子力学理论进行二次开发，研究化学中使用的、基于量子力学的、进一步近似过的、计算机能算的模型来计算。这一条就是跟统计物理一样的问题。见 @宇津月树 的回答。

3. 真空中的化学反应，仍然面临这种情况。目前基于薛定谔方程，三个原子的化学反应理论还在研究中。见大连化物所孙志刚老师的工作。

4. 人的欲望是无穷的，当你穷尽毕生精力，于80岁时算明白你10岁时开始思考的问题，你会惊讶的发现，你身边又已经冒出来了新的问题，远超目前现有的模型与计算水平的范围。

4. Talk is cheap, show me the money(大误）show me the results compatible you experiments.

首先，“化学中很多的物质的结构、成键的方式、发生的反应都可以用量子力学直接推出来”这句话就不正确。用量子力学计算一个简单的分子，计算量都巨大无比；一个是稍微复杂一点的分子，用纯量子力学，压根儿就没办法完全计算出来的。

哪怕一个很简单的体系，比如说就一个大分子，可能计算量就比宇宙目前已知最大的计算量还要大好多倍。所以，认为未来量子力学终将取代化学的，可以闭嘴了。

这也是为什么2013年诺贝尔化学奖会颁发给 为复杂化学系统创造了多尺度模型。他们的工作是，对于一个化学体系，最关心的部分使用量子力学，其他不那么关键的部分则用牛顿力学代替。这样一来，就可以用有限的时间计算出一个相对准确的模型了。

而这样的计算未必是正确的，毕竟有些时候“不那么关键”的部分也可能很关键的。所以化学的理论将会永远存在下去。

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